DE4018794C2

DE4018794C2 - Triebwerk mit einem Propergolblock, der mit einem Mittenkanal mit veränderlichem Querschnitt versehen ist

Info

Publication number: DE4018794C2
Application number: DE4018794A
Authority: DE
Inventors: Michel Hivert; Raymond Coleno
Original assignee: NATIONALE DES POUDRES ET EXPLOSIFS PARIS Ste; POUDRES ET EXPLOSIFS PARIS SOC
Current assignee: Roxel France SA
Priority date: 1989-06-15
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2010-06-13
Also published as: IT9067433A0; FR2648518A1; GB9011811D0; IT1241257B; FR2648518B1; IT9067433A1; GB2233073A; GB2233073B; US5111657A; DE4018794A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschleunigungstriebwerk eines selbstgetriebenen Körpers oder einer Maschine, wie einer Rakete oder einen ungelenkten Flugkörper, wobei dieser Triebwerkstyp einen Körper aufweist, der mit einer Düse und einem Propergolblock ausgerüstet ist, der einen Mittenlängskanal von unterschiedlichem Querschnitt aufweist.

Ein Beschleunigungstriebwerk muß mit einem Antriebsblock versehen sein, dessen Verbrennung erlaubt einen hohen Druck am Ende des Fluges zu erreichen, um der Rakete zu erlauben, schnell mit ihrem Ziel zu kollidieren oder es zu erreichen, ohne der Gefahr ausgesetzt zu sein, vorher durch einen Interventionskörper zerstört zu werden. Jedoch ist es ebenfalls wünschenswert, daß die Verbrennung dieses Triebwerkblocks einen hohen Druck am Anfang des Fluges erzeugt, um ein schnelles Entfernen der Rakete von seinem Abschußpunkt zu erlauben, einerseits, um sein Erkennen bzw. Erfassen zu vermeiden und andererseits, um so weit wie möglich die Zeit zu verringern, während der die Abschußeinrichtungen der Raketengase unterworfen werden, die bei der Verbrennung des Triebwerkblocks erzeugt werden.

Im Stand der Technik ist eine große Anzahl von Beschleunigungstriebwerken bekannt, die eine Betriebsweise mit einer Düse aufweisen. Dieser Typ von Triebwerk ist allgemein mit einer Antriebscharge versehen, deren Verbrennung erlaubt, einen hohen Enddruck zu erreichen. Um zu erreichen, daß am Anfang des Fluges eine hohe Beschleunigung erreicht wird, wurden eine Vielzahl von Vorrichtungen vorgeschlagen. Beispielsweise beschreibt die EP-184 014 A1 einen Propergolblock, der mit einer Einführungsvorrichtung versehen ist, die im Inneren selbst seines Mittenkanals angeordnet ist. Diese Vorrichtungen sind meistens sehr komplex in ihrer Betriebsweise und verkomplizieren in erheblichem Maße die Herstellung von Triebwerken, was wiederum deren Kosten erhöht.

Außerdem beschreibt das Patent US 4 148 187 eine Charge, wobei dessen Mittenkanal von unterschiedlichem Querschnitt teilweise mit schneller verbrennbarem Propergol aufgefüllt ist, um die Brenndauer des Feststoffraketentriebwerkes zu verlängern. Hierbei wird allerdings eine Zweikomponenten charge verwendet, die schwierig herzustellen ist.

Es ist ebenfalls aus dem Stand der Technik, beispielsweise durch die FR-PS 1 336 660 bekannt, Triebwerke, genannt "düsenlose Triebwerke" (propulseurs sans tuyère) zu verwenden, die eine Betriebweise ohne Düse während der gesamten Dauer der Propergolverbrennung aufweisen. Dieser Typ von Triebwerk weist jedoch eine Vielzahl von Nachteilen auf. Die Betriebweise ohne Düse führt nämlich dazu, daß auf der Höhe der ballistischen inneren Eigenschaften der Charge ein degressiver Druck erreicht wird, und ein progressiver Schub, was einen Impulsverlust hervorruft, der speziell mit der Verminderung des Drucks verbunden ist. Ein weiterer Nachteil besteht im Außer-Achsverlauf des Schubs während des Betriebs. Was die ballistischen Eigenschaften betrifft, ist der spezifische Impuls der Charge bzw. Ladung weniger gut als in dem Fall eines mit Düse arbeitenden Triebwerks.

Der Erfindung liegt deshalb eine Aufgabe zugrunde, ein neues Beschleunigungstriebwerk zu schaffen, das erlaubt, einen ho hen Initialdruck am Beginn des Betriebs und einen erhöhten Enddruck am Ende des Betriebs, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik, zu erreichen. Dabei soll die Erfin dung weiterhin einen hervorragenden Füllkoeffizienten von Propergol aufweisen und gemäß einem einfachen Herstellungs verfahren erzeugt werden können.

Die Erfindung hat ein Beschleunigungstriebwerk zum Gegen stand, welches einen Körper aufweist, der mit einer Düse und einem Propergolblock versehen ist, der einen Längsmittenkanal von unterschiedlichem Querschnitt aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Propergolblock einerseits einen stromabwärtigen Bereich, der einen zylindrischen Kanal aufweist, der einen geraden kreisförmigen Querschnitt aufweist, dessen Durchmesser geringer ist als zwei Drittel des Durchmessers des Kragens der Düse, und andererseits einen stromaufwärtigen Bereich aufweist, dessen axialer Kanal einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser des Kanals des stromabwärtigen Bereichs, und kleiner ist als der Durchmesser des Kragens der Düse, wobei der stromaufwärtige Kanal mit dem stromabwärtigen Kanal durch einen stumpfförmigen axialen Kanal verbunden ist. Die Länge des stromaufwärtigen Bereichs beträgt einerseits zwischen zwei- und viermal des Außendurchmessers des Propergolblocks und ist geringer als die Länge des stromabwärtigen Bereichs, wobei die Gesamtlänge des Propergolblocks größer ist als sechsmal der Außendurchmesser des Propergolblocks.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung ist der Durchmesser des Kragens der Düse ausgelegt zwischen dem Drittel und der Hälfte des Durchmessers des Propergolblocks.

Vorteilhafterweise weist der axiale Kanal des stromaufwärtigen Bereichs einen Kreisquerschnitt auf.

Ebenfalls vorteilhafterweise beträgt die Länge des kegelstumpfförmigen Verbindungsabschnitts der Kanäle zwischen einem Viertel und eineinhalbmal des Außendurchmessers des Propergolblocks.

Die dank dieser Erfindung erhaltenen Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß es möglich ist, die Vorteile der Triebwerke, die mit und die ohne Düse funktionieren, zu kombinieren, wobei das Triebwerk gemäß der Erfindung eine erste Betriebsphase ohne Düse und eine zweite Phase mit Düse aufweist, was erlaubt, insbesondere zusätzlich zu den mit den Entwicklungen des Druckes verbundenen Vorteile, die Propergolmasse, die in dem Triebwerk enthalten ist, zu vergrößern und wesentlich das Außerachssein des Schubs bzw der Schubrichtung während des Betriebs zu begrenzen, wobei die Vektoren der Anfangsschübe und Endschübe mit der Achse des Triebwerks zusammenfallen.

Ein derartiges Triebwerk kann gemäß den herkömmlichen Methoden hergestellt werden, ausgehend von einem Triebwerkskörper, der nicht demontierbar ist, und bereits mit einer Düse versehen ist und ebenfalls mit einer stromaufwärtigen Öffnung versehen ist. Vorteilhafterweise wird ein Triebwerkskörper verwendet, der durch Wickeln um ein Verbindungsmaterial erhalten wurde, derart, daß dieses Material später nicht aufgebracht werden muß. Der erste Schritt, der fakultativ ist, besteht in einem Überziehen vor dem Einführen des Propergols des Inneren des Triebwerks mit einem Inhibitor, der dem Propergol ermöglicht, an der thermischen Schutzschicht anzuhaften. Im Beispielsfalle ist es nicht notwendig, das gesamte Innere des Triebwerkkörpers zu überziehen, es reicht, wenn das Konvergierende und Divergierende der Düse überzogen wird, um das Anhaften des Propergols an diesen Zonen sicherzustellen. Der zweite Schritt besteht im Einführen in das Innere des Triebwerkkörpers durch die stromaufwärtige Öffnung oder die stromabwärtige Öffnung, eines Kerns, um die Form des zentralen Kanals des Propergolblocks zu verwirklichen, das Propergol einzugießen oder einzuspritzen in das Innere des Triebwerkkörpers und es sich vernetzen zu lassen. Der letzte Schritt besteht im Entformen des Propergolblocks unter Zurückziehen eines Teils des Kerns durch die stromaufwärtige Öffnung der Struktur und des verbleibenden Teils durch die stromabwärtige Öffnung.

Das verwendete Propergol ist vom herkömmlichen bzw. klassischen Typ. Es soll jedoch eine korrekte Betriebweise des Propergols bei hohem Druck (vorzugsweise bis zu 20 MPa) erlauben.

Die Betriebweise einer solchen Chargierung bzw. Charge oder Ladung stellt sich auf folgende Weise zusammen: einer ersten Phase ohne Düse, deren Dauer relativ kurz sein kann, und während derer der Druck leicht abnehmend ist, und einer zweiten Phase, während der die Betriebweise der Charge von dem Durchmesser der Düse abhängt und während deren der Druck ansteigend und wieder abfallend ist.

Die Erfindung wird nachfolgend genauer beschrieben unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3.

Fig. 1 zeigt einen perspektivischen Teilschnitt eines Beschleunigungstriebwerks gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt die Druckkurve in Abhängigkeit der Zeit, welche während des Betriebs eines derartigen Triebwerks erhalten wird.

Fig. 3 zeigt die Stoß- bzw. Schubkurve in Abhängigkeit der Zeit.

Das Triebwerk gemäß der Erfindung ist gebildet aus einem Körper 1 der mit einer Düse 2 und einem Propergolblock 3 versehen ist, der einen Längsmittenkanal 4 von unterschiedlichem Querschnitt aufweist. Der Propergolblock ist mit dem Triebwerkskörper mittels eines Verbindungsmaterials 10 verbunden. Die Gesamtlänge des Triebwerks beträgt 1500 mm und sein Innendurchmesser beträgt 135 mm. Der stromabwärtige Bereich 5 des Propergolblocks 3 weist einen zylindrischen Axialkanal 6 auf, der eine Kreisquerschnittsform von 34 mm und einer Länge von 900 mm aufweist. Der stromaufwärtige Bereich 7 des Propergolblocks 3 weist eine Länge von 330 mm auf und weist einen zylindrischen Axialkanal 8 auf, der einen Kreisquerschnitt von 53 mm aufweist. Die Kanäle 6 und 8 sind untereinander durch einen kegelstumpfförmigen Bereich 9 verbunden, der eine Länge von 170 mm aufweist und einen Durchmesser, der von 53 mm zu 34 mm geht. Die Düse 2 weist eine Öffnung auf, deren Durchmesser nur sehr leicht größer ist als 53 mm.

Das verwendete Propergol ist ein Propergol "BUTALITE" (von SNPE hinterlegte Marke), d. h., daß es im wesentlichen aus 86% von Chargen gebildet wird, von denen 1 bis 2% aus Aluminiums bestehen und durch einen ferrocenischen Katalysator katalysiert werden, der eine Verbrennungsgeschwindigkeit geregelt bei 23 mm/s bei 7 MPa aufweist.

Das verwendete Verbindungsmaterial ist vom Typ EPDM- Kautschuk (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer).

Die technischen Spezifikationen des Flugkörpers sind für den Beschleuniger des Triebwerks gemäß dem Beispiel die folgenden:

Tragweite:	5 bis 6000 m
Mittlere Geschwindigkeit des Flugkörpers:	1000 m/s
Maximale Längsbeschleunigung:	150 bis 160 g
Gesamtmasse des Flugkörpers:	60 kg
Betriebsbereich:	-40°C bis +60°C.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 teilt sich die Betriebweise eines solchen Triebwerks in zwei Phasen auf:

- die erste Phase, welche in den Fig. 2 und 3 dem Bereich der Kurven entspricht, der zwischen den Punkten A und B angeordnet ist, während der das Triebwerk eine Betriebweise von der Art ohne Düse aufweist. Während dieser Betriebsphase verringert sich das Verhältnis des Durchmessers der Düse 2 bezüglich des Durchmessers des Axialkanals des stromabwärtigen Bereichs 5 des Propergolblocks, wobei es immer größer als 1 ist. Konsequenterweise verringert sich der ausgangs hohe Druck und der Schub steigt leicht an.
- eine zweite Phase, die in den Fig. 2 und 3 dem Bereich der Kurven entspricht, die zwischen B und C angeordnet sind, während der das Triebwerk eine Betriebsweise vom Typ mit Düse aufweist. Beim Punkt B ist der Durchmesser des Axialkanals des stromabwärtigen Bereichs 5 des Propergolblocks gleich dem Durchmesser der Düse 2. Der Druck ist minimal. Sodann wird das Verhältnis zwischen den beiden Durchmessern geringer als 1 und der Druck sowie der Schub steigen stark bis zum Punkt C an dank der Betriebsweise mit Düse. Im Punkt C sind Druck und Schub maximal. Der stromaufwärtige Bereich des Propergolblocks endet sich zu verbrauchen. Sobald der stromaufwärtige Bereich vollständig verbraucht ist, fallen Druck und Schub brutal bzw. schlagartig ab, da nur der kegelstumpfförmige Bereich 9 und der stromabwärtige Bereich 5 fortfahren an der Verbrennung teilzunehmen. Der Druck und der Schub fallen auf ein Plateauniveau, das durch den Bereich zwischen den Punkten C und D der Kurven 2 und 3 dargestellt ist, bis zum Ende der Verbrennung.

Die Betriebsdaten des Flugkörpers, der mit einem Triebwerk gemäß der Erfindung versehen ist, sind in Tabelle I definiert.

Tabelle I

Temperatur (°C)	20
Maximaler Druck (MPa)	17
Maximaler Schub (N)	50000
IFt (N.s)	65965
Dauer (s)	2
Masse (kg)	29,950

Claims

1. Triebwerk mit einem Körper (1), der mit einer Düse (2) und einem Propergolblock (3) versehen ist, welcher einen Längsmittenkanal (4) von unterschiedlichem Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Propergolblock einen stromabwärtigen Bereich (5) aufweist, der einen zylindrischen Kanal (6) aufweist, der einen Kreisquerschnitt aufweist, dessen Durchmesser geringer ist als zwei Drittel des Durchmessers des Kragens der Düse (2), und einen stromaufwärtigen Bereich (7) aufweist, dessen Kanal (8) einerseits einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser des Kanals (6) des stromabwärtigen Bereichs, und der geringer ist als der Durchmesser des Kragens der Düse (2), und andererseits mit dem Kanal (6) des stromabwärtigen Bereichs durch einen kegelstumpfförmigen Abschnitt (9) verbunden ist, wobei die Länge des stromaufwärtigen Bereichs (7) einerseits zwischen zwei- und viermal des Außendurchmessers des Propergolblocks beträgt und andererseits geringer ist als die Länge des stromabwärtigen Bereichs (5), wobei die Gesamtlänge des Propergolblocks größer ist als sechsmal der Außendurchmesser des Propergolblocks.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druchmesser des Kragens der Düse (2) zwischen einem Drittel und der Hälfte des Durchmessers des Propergolblocks (3) beträgt.

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (8) des stromaufwärtigen Bereichs (7) einen Kreisquerschnitt aufweist.

4. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des kegelstumpfförmigen Abschnitts (9) der Verbindung der Kanäle zwischen einem Viertel und eineinhalbmal des Außendurchmessers des Propergolblocks beträgt.